CN105116444B

CN105116444B - 一种地面微地震监测各向异性速度模型

Info

Publication number: CN105116444B
Application number: CN201510520632.5A
Authority: CN
Inventors: 费高雷; 孙川; 胡光岷
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-08-24
Filing date: 2015-08-24
Publication date: 2017-08-25
Anticipated expiration: 2035-08-24
Also published as: CN105116444A

Abstract

本发明提供一种地面微地震监测各向异性速度模型及其自动构建方法，包括：S1：九参数速度模型的构建与计算；S2：自动调节初始速度；S3：采用交叉验证的方法校正速度模型参数。与传统的水平层状的速度模型相比，本发明更能体现速度随着地震波传播方向变化而变化的趋势，能更好的模拟实际地震波的传播，因而建立的速度模型更准确，利用这样的速度模型定位精度更高；通过自动调节初始速度，免去了人工调节初始速度的麻烦，更加高效的完成了初始速度的确定；采用交叉验证的方法对速度模型参数进行校正，以定位误差的倒数做为权重线性叠加所有组的速度模型参数，经过校正的速度模型参数可以有效的提高定位精度。

Description

一种地面微地震监测各向异性速度模型

技术领域

本发明属于微地震监测领域，具体涉及地面微地震监测各向异性速度模型。

背景技术

当一些生产活动发生时，岩石中原来存在的或新产生的裂缝周围的应力会集中，应变能量增高，当外力增加到一定程度，裂缝地区就会发生微观形变，应变能量的一部分以弹性波的形式释放出来，产生范围较小的地震，称为“微地震”。

地震在地震记录上一般表现为清晰的脉冲，越强的微地震事件，脉冲越明显，反之，脉冲越微弱。微地震的发生在空间和时间上是复杂的，其信号很容易被周围的噪声影响，而且地层中的各种介质会吸收地震波，减小其能量，这为微地震监测增加了难度。

目前微地震监测的手段主要有两种，地面监测和井中监测。地面监测是指在进行压裂作业的工区，在地面按照一定的方式排布检波器，通过地面检波器获取地下压裂过程中的微地震信号。井中监测是指在在压裂井附近按照一定的方式排布检波器。地面微地震监测较井中微地震监测而言成本低，实现难度小，是一种在微地震压裂监测领域更新的，前景更好的技术，在地球物理勘探方面有重要的意义。

地面监测微地震定位的现有方法主要有：Inglada算法，Geiger方法，网格搜索法等。Inglada算法实现简单，使用单层速度模型，但是由于其与地层间的水平层状速度模型相悖，所以定位精度不高；Geiger方法采用水平层状速度模型并采用迭代技术，因此定位精度较Inglada算法有所提升；网格搜索法是一种基本的全局优化算法，这种方法首先要限定解的范围，设定网格的大小，将解空间进行网格划分，然后以一个网格为单位遍历解空间，找到解空间中的最优解，该方法依赖于解空间的确定和划分解空间的网格的大小，网格越大，定位精度越低，网格越小，定位精度越高，但计算量也越大。

通过研究发现，地层介质中纵横波速度的传播呈现为水平层状的特征，即纵横波传播的速度在不同的层位有所差异，现有的微地震定位方法都采用水平层状的速度模型进行定位，但是定位精度不够理想，地层速度的传播还存在着各向异性，即来自同一点的地震波随着传播方向的不同它的传播速度也会随之变化。

通常情况下，可以用水平层状和各向异性速度模型近似反映地层间地震波传播的速度，影响近似程度的误差一般有观测系统的位置排布，采样间隔，初至拾取的精度，以及速度模型中的初始速度参数。随着科技的进步，检波器接收到的信息越来越准确，采用自动追踪和人工拾取初至的方法很大程度减小了拾取的误差，因此，对于是否能正确的反映地震波的传播速度，模型的选择就显得格外重要。

发明内容

本发明的目的是，设计一种地面微地震监测各向异性速度模型，该模型可以对速度模型中较难确定的参数进行自动调节，同时利用交叉验证的方法对速度模型参数进行校正。

本发明提出了一种地面微地震监测各向异性速度模型：

V＝f(V₀,Δx,Δy,θ)

＝V₀+k₁Δx+k₂Δy+k₃θ+k₄Δx²+k₅Δy²+k₆θ²+k₇ΔxΔy+k₈Δxθ+k₉Δyθ

(1)，

其中，k₁,k₂,…,k₉为速度模型的参数，Δx,Δy分别为检波器和射孔点在x和y方向上的坐标的差值，θ为射孔点和检波器连线和竖直方向的夹角。

利用上述的地面微地震监测各向异性速度模型的自动构建方法，包括如下步骤：

S11：构建地面微地震监测工区模型；

该工区模型包括射孔点和检波器，对输入数据进行预处理，对射孔点的初至进行自动拾取并人工校正，完成数据加载，将其转换为后期算法需要的数据结构；

S12：地面微地震监测速度模型的参数构建：

V＝f(V₀,Δx,Δy,θ)

(1)，

其中，k₁,k₂,…,k₉为速度模型的参数，Δx,Δy分别为检波器和射孔点在x和y方向上的坐标的差值，θ为射孔点和检波器连线和竖直方向的夹角，

S13：计算速度模型参数k₁,k₂,…,k₉。

进一步，速度模型参数k₁,k₂,…,k₉的求解方法为：

利用速度模型与检波器和射孔点的相对位置可以计算出射孔点到两检波器的时差，称为计算时差，将两检波器接收到的初至之差称为观测时差，求解速度模型的目标即为求解速度模型参数使得计算时差和观测时差的差最小，即

其中，a、b表示第m组的两个检波器，m＝1,2,…,K/2，K为检波器个数，d_A和d_B分别是a、b检波器到射孔点的距离，和分别是射孔点到a、b检波器的传播速度，和分别是a、b检波器接收到的初至；

将速度v_a和v_b替换为九参数速度模型，即

该式中，矩阵二范数的最小值为0，即

求解速度模型的目标，即为求得满足该式的k₁,k₂,…,k₉；

令

k＝[k₁,k₂…k₉]^T (6)，

将F在前一次迭代的k处进行一阶泰勒展开，即

其中，为前一次迭代得到的参数，k的初值设为0；

其中，和为利用建立好的速度模型求解出的速度，速度模型的参数为

因此，

同理，考虑剩余的检波器对，会得到与上式类似的一系列等式，将这些等式联立并写成矩阵的形式，即

上式写成一般形式，可表示为：B＝AK (11)，

由于方程组为超定方程组，所以求其最小二乘解，K＝A⁺B (12)，

因此，对(10)式求解，表示为

由上式可得本次迭代的参数k₁,k₂,…k₉，当两次迭代的速度模型参数之差小于预先设定好的阈值时迭代停止，此时的k₁,k₂,…,k₉为速度反演的参数。

进一步，一种地面微地震监测各向异性速度模型自动构建方法还包含步骤S2：自动调节初始速度。

进一步，S2自动调节初始速度，包括以下步骤：

S21：设定一个初始速度，同时设置速度变化的步进；

S22：使用设定的初始速度，利用已建立的速度进行定位得到定位误差e

其中，(x₀,y₀,z₀)为射孔点的实际位置，(x,y,z)为基于地球物理微地震线性化定位方法得到的射孔点位置；

S23：将设定的初始速度增大一个步进，利用变化后的初始速度进行定位得到定位误差E；

S24：当E<e时，继续向速度增大的方向搜索，反之，向速度减小的方向搜索，每次的速度变化量为一个步进，直到定位误差最小，将此时的速度做为速度模型的最佳初始速度。

进一步，一种地面微地震监测各向异性速度模型自动构建方法还包含步骤S3：采用交叉验证的方法校正速度模型参数。

进一步，S3采用交叉验证的方法校正速度模型参数，包括以下步骤：

S31：设射孔点的个数为N，选取射孔点l，l＝1,…,N，利用剩余的射孔点建立速度模型对射孔点l进行定位；

S32：通过自动调节初始速度来获得最小的定位误差d_i，对于N个射孔点，得到N个定位误差d₁,…,d_N；在这N个定位误差中，定位误差越小的对应的速度模型参数越理想，在最终的速度模型中所占的权重越大；

S33：用定位误差的倒数来代表这组参数所占的权重，以每组参数所占的权重线性叠加所有组参数，得到最终校正后的参数，即

其中，k_i为最终速度模型的参数，i＝1,2,…,9，k_ij为第j个定位误差对应的第i个速度模型参数，j＝1,2,…,N；

S34：计算所得k₁,…,k₉即为校正后的速度模型参数。

本发明的有益效果：本发明利用地震波传播的各向异性建立速度模型，与传统的水平层状的速度模型相比，它更能体现速度随着地震波传播方向变化而变化的趋势，能更好的模拟实际地震波的传播，因而建立的速度模型更准确，利用这样的速度模型定位精度更高；本发明通过自动调节初始速度，免去了人工调节初始速度的麻烦，更加高效的完成了初始速度的确定；本发明由于实验数据不充足，采用交叉验证的方法对速度模型参数进行校正，以定位误差的倒数做为权重线性叠加所有组的速度模型参数，经过校正的速度模型参数可以有效的提高定位精度。

附图说明

图1为本发明提供方法的流程框图；

图2为本发明具体实施方式采用的射孔点与检波器的位置及时间关系；

其中，a、b为检波器，c为射孔点；

图3为本发明具体实施方式中九参数速度模型的构建与计算的流程图；

图4为本发明具体实施方式中自动调节初始速度的流程图；

图5为本发明具体实施方式中采用交叉验证法校正速度模型参数的流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种地面微地震监测各向异性速度模型以及该模型的自动构建方法，主要涉及九参数速度模型的构建与计算S1、自动调节初始速度S2和利用交叉验证法校正速度模型参数S3，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

本发明所述地面微地震监测各向异性速度模型的自动构建方法的流程框图如图1所示，具体包括如下步骤：

S1：九参数速度模型的构建与计算

九参数速度模型的构建与计算的流程如图2所示，首先要构建用于实验的工区模型，包括射孔点和检波器，然后对输入数据进行预处理，对射孔点的初至进行自动拾取和人工校正，完成数据加载，将其转换为后期算法需要的数据结构，之后建立速度模型，选取定位精度最高的速度模型，并利用广义线性反演的方法进行速度模型求解。具体的调节过程如下：

S11：构建地面微地震监测工区模型：

该工区模型包括射孔点和检波器，对输入数据进行预处理，对射孔点的初至进行自动拾取和人工校正，完成数据加载，将其转换为后期算法需要的数据结构。

地层介质中纵横波速度的传播呈现为水平层状的特征，即纵横波传播的速度在不同的层位有所差异，同一点的地震波随着传播方向的不同它的传播速度也会随之变化，即各向异性；九参数速度模型最能反映地震波传播速度的各向异性特征，同时也是定位精度最高的速度模型，因此采用九参数的形式拟合各向异性的速度模型。

S12：地面微地震监测速度模型的参数构建：

微地震监测的基本模型如图3所示，射孔点到a,b两检波器的距离d_A,d_B已知，检波器a,b接收到的初至时刻已知，射孔点到a,b检波器的速度可以用九参数速度模型计算。九参数速度模型的具体形式如式：

V＝f(V₀,Δx,Δy,θ)

(1)

上式中，k₁,k₂,…,k₉为速度模型的参数，Δx,Δy分别为检波器和射孔点在x和y方向上的坐标的差值，θ为射孔点和检波器连线和竖直方向的夹角，其中，Δx，Δy，θ已知，因此可以求解速度模型的目标即为求解k₁,k₂,…,k₉这九个参数。

S13：计算速度模型参数k₁,k₂,…,k₉

为求解速度模型参数，先考虑一对检波器，利用速度模型与检波器和射孔点的相对位置可以计算出射孔点到两检波器的时差，称为计算时差，将两检波器接收到的初至之差称为观测时差，求解速度模型的目标即为求解速度模型参数使得计算时差和观测时差的差最小，即

其中，a、b表示第m组的两个检波器，m＝1,2,…,K/2，K为检波器个数，d_A和d_B分别是a、b检波器到射孔点的距离，v_a和v_b分别是射孔点到a、b检波器的传播速度，t_a和t_b分别是a、b检波器接收到的初至；将速度替换为九参数速度模型，即

观察该式，矩阵二范数的最小值为0，即

求解速度模型的目标即为求得满足该式的k₁,k₂,…,k₉；

为求解速度模型参数，首先令

k＝[k₁,k₂…k₉]^T (6)

将F在前一次迭代的k处进行一阶泰勒展开，即

其中，为前一次迭代得到的参数，k的初值设为0；

因此，

考虑剩余的检波器对，会得到与该式类似的一系列等式，将这些等式联立并写成矩阵的形式，即

上式写成一般形式，可表示为：

B＝AK (11)

由于方程组为超定方程组，所以求其最小二乘解，

K＝A⁺B， (12)

因此，对(10)式求解，表示为式(13)

S2：自动调节初始速度

初始速度自动调节的流程如图4所示，首先要确定速度调节的方向，即是向速度增大的方向还是速度减小的方向调节。之后找到在初始速度增大或者减小的过程中定位误差的极小值，将此时对应的速度做为速度模型最合适的初始速度。具体的调节过程如下：

S21：人为设定一个初始速度，以这个初始速度为起点向增大或减小的方向进行调节，同时设定速度变化步进，即每次的增大量或减小量；

S3：交叉验证校正速度模型参数

在实地测量时，已知多个射孔点，如何充分利用这几个射孔点的信息建立速度模型并对速度模型参数进行校正至关重要，因此采用交叉验证的方法校正速度模型参数，其流程如图5所示，下面对该流程进行详细描述：

S31：设射孔点的个数为N，选取射孔点i，i＝1,…,N，利用剩余的射孔点建立速度模型对射孔点i进行定位；

S32：通过自动调节初始速度来获得最小的定位误差d_i，对于N个射孔点，得到N个定位误差d₁,…,d_N，在这N个定位误差中，定位误差越小的对应的速度模型参数越理想，在最终的速度模型中所占的权重越大；

S34：计算所得k₁,…,k₉即为校正后的速度模型参数。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种地面微地震监测各向异性速度模型，其特征在于，如公式(1)所示：

V＝f(V₀,Δx,Δy,θ)

(1)

其中，k₁,k₂,...,k₉为速度模型的参数，Δx,Δy分别为检波器和射孔点在x和y方向上的坐标的差值，θ为射孔点和检波器连线和竖直方向的夹角；

基于地面微地震监测各向异性速度模型的自动构建方法，包括以下步骤：

S11：构建地面微地震监测工区模型；

S12：构建地面微地震监测速度模型：

V＝f(V₀,Δx,Δy,θ)

(1)

S13：计算速度模型参数k₁,k₂,...,k₉。

2.如权利要求1所述的一种地面微地震监测各向异性速度模型自动构建方法，其特征在于，

3.如权利要求1所述的一种地面微地震监测各向异性速度模型自动构建方法，其特征在于，所述速度模型参数k₁,k₂,...,k₉的求解方法为：使得计算时差和观测时差的差最小，即

其中，a_k、b_k表示第m组的两个检波器，m＝1,2,…,K/2，K为检波器个数，和分别是a_k、b_k检波器到射孔点的距离，和分别是射孔点到a_k、b_k检波器的传播速度，和分别是a_k、b_k检波器接收到的初至。

4.如权利要求3所述的一种地面微地震监测各向异性速度模型自动构建方法，其特征在于，所述速度模型参数k₁,k₂,…,k₉求解的具体实现形式为：

将速度v_a和v_b替换为速度模型，即

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其中，表示a_k检波器和射孔点在x方向上的坐标的差值；表示a_k检波器和射孔点在y方向上的坐标的差值；表示射孔点和a_k检波器连线和竖直方向的夹角；表示b_k检波器和射孔点在x方向上的坐标的差值；表示b_k检波器和射孔点在y方向上的坐标的差值；射孔点和b_k检波器连线和竖直方向的夹角；

该式中，矩阵二范数的最小值为0，即

<mrow> <msub> <mi>t</mi> <msub> <mi>a</mi> <mi>k</mi> </msub> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <msub> <mi>b</mi> <mi>k</mi> </msub> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>d</mi> <msub> <mi>A</mi> <mi>k</mi> </msub> </msub> <mrow> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>V</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>&Delta;x</mi> <msub> <mi>a</mi> <mi>k</mi> </msub> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>&Delta;y</mi> <msub> <mi>a</mi> <mi>k</mi> </msub> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>&theta;</mi> <msub> <mi>a</mi> <mi>k</mi> </msub> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mi>d</mi> <msub> <mi>B</mi> <mi>k</mi> </msub> </msub> <mrow> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>V</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>&Delta;x</mi> <msub> <mi>b</mi> <mi>k</mi> </msub> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>&Delta;y</mi> <msub> <mi>b</mi> <mi>k</mi> </msub> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>&theta;</mi> <msub> <mi>b</mi> <mi>k</mi> </msub> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

令

k＝[k₁,k₂…k₉]^T (6)

将F在前一次迭代的k处进行一阶泰勒展开，即

其中，为前一次迭代得到的参数，k的初值设为0；

因此，

将等式联立并写成矩阵的形式，即

其中，K为检波器个数；

上式可表示为公式(11)：

B＝AK (11)

由于方程组为超定方程组，所以求其最小二乘解

K＝A⁺B (12)

因此，对(10)式求解，表示为式(13)

5.如权利要求1所述的一种地面微地震监测各向异性速度模型自动构建方法，其特征在于，进一步包括步骤：

S2：自动调节初始速度，使得速度模型的定位误差最小。

6.如权利要求5所述的一种地面微地震监测各向异性速度模型自动构建方法，其特征在于，步骤S2自动调节初始速度，包括以下步骤：

S21：设定一个初始速度，同时设置速度变化的步进；

S24：当E＜e时，继续向速度增大的方向搜索，反之，向速度减小的方向搜索，每次的速度变化量为一个步进，直到定位误差最小，将此时的速度做为速度模型的最佳初始速度。

7.如权利要求1或5所述的一种地面微地震监测各向异性速度模型自动构建方法，其特征在于，进一步包括步骤：

S3：采用交叉验证的方法校正速度模型参数。

8.如权利要求7所述的一种地面微地震监测各向异性速度模型自动构建方法，其特征在于：步骤S3采用交叉验证的方法校正速度模型参数，包括以下步骤：

S32：通过自动调节初始速度来获得最小的定位误差d_i，对于N个射孔点，得到N个定位误差d₁,…,d_N；

<mrow> <msub> <mi>k</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>d</mi> <mi>j</mi> </msub> </mfrac> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>d</mi> <mi>j</mi> </msub> </mfrac> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>

S34：计算所得k₁,…,k₉即为校正后的速度模型参数。